TiO2纳米棒的水热制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用.doc

题目： TiO2纳米棒的水热制备及其在染料敏化太阳能电池中的应用 学生姓名： 喻强 班级：材料成型及控制 学号： 题目类型： 科学研究 指导教师： 胡勇 引言 能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。传统的能源媒，石油和木材按目前的消耗速度只能维持五十至一百年。另外，由此所带来的环境污染，也正在威胁着人类赖以生存的地球。而在人类可以预测的未来时间内，太阳能作为人类取之不尽用之不竭的洁净能源，不产生任何的环境污染，且基本上不受地理条件的限制，因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。太阳内部每时每刻都在发生热核聚变反应，进行质能转换，向宇宙辐射的总功率约为3×1023kW，投射到地球大气层之前的功率密度约为1135kW/m2。太阳光进入大气层后，虽然大气成分和尘埃颗粒的散射以及太阳光中的紫外线被臭氧，氧气和水蒸气吸收，但到达地表的功率密度仍有很大。如果太阳辐射维持不变，则太阳半衰期寿命还有7×1012年以上，可以说太阳能是取之不尽用之不竭的天赐能源。我国陆地2/3以上地区的年日照时数大于2000h，太阳能相当丰富。目前，太阳能的利用主要有太阳能电池发电和太阳能热水器制热。而在一些名胜古迹和公园已经可以见到太阳能路灯了，为家庭住宅提供能源的太阳能发电系统(3kW)已经在发达国家作为示范工程而被推广，用太阳能电池提供动力的汽车和游艇也已经出现在人们的眼前。 1太阳能电池 在能源危机日益加深的今天，由于化石能源的不可再生，氢能利用中的储氢材料问题依然没有解决，风能、核能利用难以大面积推广，太阳能作为另一种可再生清洁能源足以引起人们的重视。利用太阳能已经是各相关学科一个很重要的方向。1839年，Becquerel发现涂布了卤化银颗粒的金属电极在电解液中产生了光电流，1954年第一个实用性的半导体太阳能电池的问世，Gr?tzel教授小组做出了染料敏化太阳能电池，他们的电池基于光合作用原理，以羧酸联吡啶钌配合物为敏化染料，以TiO2纳米薄膜为电极，利用TiO2材料的宽禁带特点，使得吸收太阳光激发电子的区域和传递电荷的区域分开，从而得到了7.1%[1]的高光电转换效率，这种电池目前达到最高的转换效率是10.4%[2]。由于这种电池工艺简单，成本低廉，约为硅电池1/5-1/10[3]，寿命能达到20年以上。已成为传统太阳能电池的有力竞争对手。并且可选用柔质基材而使得应用范围更广，最重要的是，它具备稳定的性质，有高光电转换效率，这无疑给太阳能电池的发展带来了巨大的变革。染料敏化纳米晶太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells，DSSC) 又称NPC (Nanocrystalline Photovoltaic Cell)电池。与传统的太阳能电池的工作原理不同，NPCNPC负极由吸附染料分子的纳米晶薄膜构成。纳米晶颗粒由于粒径小而具有许多特殊的不同于块体材料的性质，，，，，，，NPC电池的性能。 2．染料敏化太阳能电池的结构和基本原理 图1 染料敏化太阳能电池是由透明导电玻璃，TiO2多孔纳米膜，敏化剂，电解质溶液以及镀铂金对电极构成的“三明治”式结构(图1)导电玻璃厚度一般为3mm左右，0.5-0.7μm厚掺F的SnO2膜或氧化钛(ITO)膜。它起着传输和收集正、负电极电子的作用。纳米多孔氧化物薄膜是DSSC的核心部分，TiO2的研究，，SnO2、NiO、ZnO、Al2O3、Nb2O5等[4＿7]。敏化染料可将纳米多孔氧化物薄膜的吸收谱带拓展到可见光区，[8]。因此，Ru配体系列染料、酞菁系列染料、卟啉系列染料、叶绿素及其衍生物染料等。电解质主要是传输电子和空穴的通道，主要由I—和I3—组成，，，[10]。此外，，[11]。 图2 TiO2太阳能电池的光电转换原理 染料敏化太阳能电池的工作原理如图2所示(1)太阳光(hμ)照射到电池上，基态染料分子(D)吸收太阳光能量被激发，染料分子中的电子受激跃迁到激发态，染料分子因失去电子变成氧化态(D*)D+hμ→D*(染料激发)(2)激发态的电子快速注入TiO2导带中D*+TiO2→e-(TiO2导带)+氧化态染料(光电流产生)(3)注入TiO2导带中的电子在TiO2膜中的传输非常迅速，可以瞬间到达膜与导电玻璃的接触面，并在导电基片上富集，通过外电路流向对电极；同时，处于氧化态的染料分子，由电解质(I-/I3－)溶液中的电子供体(I-)提供电子而回到基态，染料分子得以再生氧化态染料+还原态电解质→D+氧化态电解质(染料还原